第四章光学仪器

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1、第四章光学仪器的基本原理主要内容本章围绕衡量光学仪器的三个本领进行教学，其中着重介绍望远镜、显微镜的放大本领和分辨本领，扼要介绍聚光本领。简单介绍光度学、像差的基本概念。教学目的： 牢固掌握助视仪器的放大本领、分辨本领的概念及望 远光路的特点；掌握放大本领、分辨本领、有效光阑 、入瞳、出瞳的计算；理解物镜聚光本领、数值孔径 、相对孔径的意义；了解人眼的结构和光学仪器的象 差。 内容分析： 第一单元（15）：助视仪器的放大本领 第二单元（69）：光度学的基本概念；聚光本领 第三单元（1012）：象差概述 第四单元（1314）：助视仪器的分辨本领重、难点： 全章以放大本领、分辨本领为重点，强调仪器

2、参数的 相互影响关系。4.0 概 述 一、光学仪器及分类1、定义：多种光学元件按一定的要求组成的系统。2、分类： 按性能：显微镜、望远镜、照像机和分光镜 按成像性质： 成实像的光学仪器。如照像机、幻灯机、电影放映机、投影仪等。 成虚像的光学仪器 助视仪器。如放大镜、显微镜、望远镜。二、理论基础 主要：几何光学基本原理。 其它：衍射理论、加工工艺学、材料科学等。三、实际光学仪器1、理想成像的要求： 近轴：近轴物点、近轴光线 单色：物体所发光线是单色的实际光学仪器情况：非近轴和复色光。会造成如下矛盾：2、两大矛盾 像的清晰度与像场能量聚集程度的矛盾 几何光学观点：必须满足单色、近轴条件 复色色差

3、非近轴象差 能量观点：不宜限于近轴区域。要得明亮像，必须使进入光学仪器的光束尽量宽。 成像清晰度与细节分辨程度的矛盾 波动光学观点：光线越近轴光束受限越紧衍射越明显像的清晰度越低 几何光学观点：减小象差满足近轴条件像的清晰度与像面亮度、分辨本领不能同时兼得，而矛盾不可避免。因而，实际光学仪器要根据用途，权衡轻重，有针对性地进行设计制造。4.1 人 眼 一、构造1.巩膜：白色坚韧, 厚0.40.8mm2.角膜：透明， R:8mm14.视神经3.脉络膜： 黑色不透光8.前房液 水状体:淡盐 溶液,折射率 1.3379.后房液 玻璃体: 含大量水 份胶状物, 折射率 1.3364.虹膜：带色的彩带5

4、.瞳孔：直径 ：1.48mm6.水晶体眼珠,折射率为1.42的胶 状物,前后曲面半径:10mm,6mm7.睫状肌10.视网膜: 视神经网11.盲点:不 引起视觉12.黄斑点 直径:2mm13.中央窝:最 敏感直径 0.25mm二、简化眼从上页图看出：人眼是一个由角膜、水状液、晶状体和玻璃液所组 成的，物、像方折射率近似相等的，可变焦距的，共轴复杂光学系统（ 光具组）。它能在视网膜上清晰成像。它是一个能自动调节有精密的光学仪器。其结构相当复杂。在许多 情况下将其简化成如下的模型：高尔斯特兰简化眼F OF光心三、人眼的调节功能1、定义：为使不同距离的物体都能在视网膜上成清晰像而改变眼睛的焦距的过程

5、。人眼的调节方式有两种：自动调节（自调节）和被动调节（矫正）。2、自调节：正常人眼靠睫状肌的松驰或紧张来改变晶状体的曲率半径，从而改变人眼焦距的过程。是人眼自动完成的。 说明： 自调节有一定的限度：近点和远点之间。 远点：人眼能看清楚的最远点。人眼看远点处的物体时，睫状肌处于完全松驰的状态，晶状体曲面的曲率半径最大。 近点：人眼能看清楚的最近点。人眼看近点处的物体时，睫状肌处于最紧张的状态，晶状体曲面的曲率半径最小。 人眼疲劳程度与睫状肌的松紧程度有关：看远物时，肌肉松驰，不易疲劳；看近物时，肌肉紧张，容易疲劳。 近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化；近点变远：幼年78cm；中年25cm；老

6、年12m。远点变近：幼年无限远；老年数米。随年龄的增长，肌肉老化，自调节范围变窄。 适当照明下，正常眼观察眼前25cm处的物体是轻松的，且能看清物体的细节。称25cm为明视距离。因此，在设计和使用助视仪器时一般都使虚像成于明视距离、无穷远处或其间的某一位置处。3、人眼的缺陷及矫正被动调节：外加辅助仪器改变焦距的过程。具备完善的自调节功能的人眼称为正常眼；反之，称为非正常眼。 近视眼：远点在有限远处的人眼。特点：晶状体曲率半径比正常眼小，外形凸出；像方焦点在视网膜前，焦距短。POFOF远点矫正前POF 远点远物矫正后例4-1 一个远点为0.2m的近视眼戴上眼镜后远点可恢复到无穷远。求所戴眼镜的光

7、焦度。 远视眼：近点比正常眼远的人眼特点：晶状体曲率半径比正常眼大；像方焦点在视网膜后，焦距长。OF明视距离OF近点矫正前明视距离OF近点矫正后明视距离OF近点例4-2 求一个近点为125cm的远视眼所戴眼镜的光焦度. 散光眼：角膜为椭球面的人眼。也称为像散眼。 由于椭球有两个对称平面，分别包含长、短轴，因而具有两个不同的焦距。主轴上的一个物点将成两条像线。像散。 矫正方法：戴柱面透镜。利用其像散作用，与散光眼的像散相抵消。 近视（或远视）+散光：戴一付一面为球面、一面为柱面的透镜。球面用于矫正 近（远）视，柱面用于矫正散光。四、人眼的视角定义：被观察物对人眼光心的张角称为人眼的视角。FOFQ

8、PQP 人眼对物体大小的感觉是以 该物体在视网膜上所成像对光 心所张角度的大小衡量的。 表达式：FOFQPQP 说明：A、在人眼的可调节范围内 人眼对物体大小的感觉取决于其在视网膜上像的大小，因而取决于视角U的大小，当U1 时，人眼已无法区分了。 一切助视仪器设计的出发点就是增大人眼的视角.4.2 助视仪器的放大本领助视仪器：帮助人眼（正常、非正常）看清物体（远、近、大、小）的光学仪器。 一、放大本领1、定义：如右图示POQPQHHUOPQU物体PQ经助视仪器成虚像PQ， 再经人眼成像于视网膜上，其像 长为 ；去掉助视仪器后将同 一物体置于原虚像所在处，对人 眼直接所成像长为 ，则两个 像长的

9、比值称为该助视仪器的放 大本领。用M表示。2、说明： 必须将物放在同一特定位置比较两像大小。放大镜和显微镜：明视距离处（25cm）；望远镜：无穷远处。由上式可看出：助视仪器的作用就是增大人眼视角，从而改善和扩展视野。注意放大本领 与角放大率 的区别。 在近轴条件下即：M等于两视角之比SPOQPQHHUOPQU二、放大镜1、定义：帮助人眼看清微小物体及其细节的助视仪器。2、放大本领：QPyPQ y FLO-f-sUOyQPU使用放大镜的视角：未用放大镜的视角：以最简单的放大镜-凸透镜为例:简单放大镜的放大本领：作用：将被观察物体成一放大虚像，从而增大其对人眼的视角，并非将物体移近。 例：f =1

10、0cm，则 M=2.5倍，记为2.5。 M 与f 成反比。由于短焦距透镜像差大，所以M很大的放大镜没有实用价值。常用的放大镜M3；若采用复合透镜，可使M达到20 。作业：P300 1、24.3 目 镜一、目镜从上节知，放大镜是一种通过直接放大实物达到增大视角的助视仪器。下面将介绍一种放大像的助视仪器目镜。1、定义：用于观察其它光学系统所成像的放大镜。 性质：放大镜。由复合透镜组构成的放大光具组。 作用：放大其它光具组的像，从而增大视角。 要求：A、具有较高的放大本领和较大的视角；B、具有一定的校正像差和色差的能力。 目镜通常由两个或多个透镜组合而成。复杂的助视仪器总是由物镜和目镜组成，靠近物体

11、的称为物镜；靠近人 眼的称为目镜。目镜通过放大物镜所成的像达到磁大人眼视角的目的。2、结构： 场镜+视镜+（分划板或称刻度尺） 场镜： 面向物体（即物镜的像）的透镜（或透镜组） 视镜： 接近人眼的透镜（或透镜组） 分划板：包含可移动叉丝的透明刻度尺，用于提高测量精度二、常用目镜：惠更斯目镜和冉斯登目镜1、惠更斯目镜 结构：如图示 特点： 场镜、视镜均为同种 材料的平凸透镜，且均 以凸面朝向物体。 场镜焦距为视镜焦距的3倍，两透镜光心之间的距离为视镜焦距的2 倍，所以场镜视镜的象方焦点重合。 光路图：如上图示。可适当调节物镜和目镜的距离，使Q刚好在视 镜的物方焦平面上，使出射光束为平行光束。 由

12、于场镜的物为虚物，所以这种目镜无法对物镜所成的象进行测量 分划板应配置于F2Q处，用于测量场镜的像的大小。由于分划板仅 对视镜成像，场镜的消像差作用未起作用，因而，视镜的像差将使分 划板的像仅在中央部分清晰，测量误差较大。 此目镜的视角大（可达400），结构紧凑，适用于生物显微镜。2、冉斯登目镜 结构：如图示 特点：312123321 场镜、视镜均为同种 材料的平凸透镜，二镜 凸面相向，平面朝外。场镜、视镜焦距相同，两镜光心的距离为焦距值的2/3。 光路图：如上图示。可适当调节物镜和目镜的距离，使Q刚好在视 镜的物方焦平面上，使出射光束为平行光束。 由于场镜的物为实物，所以可用其对物镜所成的象

13、进行测量。分划板应配置于 FQ处，由于分划板同物FQ一样既对场镜，也对视镜成像，所以，场镜的消像差 作用起作用，因而，可在大范围内清晰成像，测量精度高。 此目镜既可用于观察象，也可用于观察物，并可由配备的分划板对物 镜所成的象进行测量，适用于测微目镜。注：两种目镜均能放大像，增大人眼视角；但冉镜还可用于直接观察实物，配上分划板可精确测量实物和物镜所成的像的长度。4.4 显微镜的放大本领帮助人眼观察微小物体的放大镜，称为显微镜。其物镜和目镜均由共轴光具组构成。其放大本领远大于简单放大镜和目镜。一、结构F1o1F1F2o2目镜系统物镜系统-UO-UPQPQyPQ特点：物体PQ置于物镜系统（焦距很短

14、）的物方焦平面F1附近，成实象 PQ；PQ位于目镜系统（焦距很短）物方焦平面F2附近，成放大的虚 象PQ。整个显微镜系统最终成放大倒立虚象于明视距离处。二、光路图惠更斯目镜明视 距离三、放大本领整个系统的像方焦距为：显微镜作为一个放大镜，其放大本领为：F1o1F1F2o2目镜系统物镜系统-UO -UPQPQyPQ明视 距离镜筒长度为保证成尽量大的像，物镜和目镜焦距均很小1、表达式：2、讨论：即为物镜的横向放大率，其中，“”号表示物镜成倒立像为目镜的放大本领 显微镜也是将物体直接放大，达到增大视角的目的。显微镜放大本领等于物镜横向放大率与 目镜放大本领 的乘积。 显微镜将微小物体成放大的象，常用

15、于观察近距离处肉眼难以看清的细小物体。4.5 望远镜的放大本领一、定义：帮助人眼观察远处物体的放大镜。 作用：将远物从物空间移至望远镜的像空间，从而增大对人眼的视角。人眼以对望远镜像空间的观察代替了对物空间的观察。 性质：是一种放大镜。只是不是将物体直接放大，而是将远物移近，从而增大视角。 二、结构及分类1、结构：物镜系统+目镜系统2、分类： 按物镜的种类分：A、反射式望远镜：物镜为反射镜；B、折射式望远镜：物镜为透镜。 按目镜种类分：A、开普勒望远镜：目镜为会聚透镜；B、伽利略望远镜：目镜为以散透镜。三、开普勒望远镜-UO-U1、结构特点： 物镜和目镜均为会聚透镜，且物镜像方焦点与目镜物方焦点重合。o1F1F2o2物镜系统目镜系统UPQ2、原理：光路如图示无穷远处的物体PQ发出的平行光入射于物镜系统，成实象PQ于象方 焦平面上；因为物镜系统的象方焦平面与目镜系统的物方焦平面重合，故 最终由目镜系统出射的光为平行光，成倒立象于无穷远处。（望远镜的结 构都这样）